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Title:
METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THE COMPOSITION OF A GAS MIXTURE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/129505
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for determining the composition of a gas mixture. Multiple independent physical variables of the gas mixture are measured, and the composition of the gas mixture is determined from the measured variables by means of correlation calculations. In addition, the sound absorption coefficient of the gas mixture is determined, in order to obtain a further variable for the correlation calculation. In this way, the gas mixture is applied with sound waves in order to generate multiple reflections. The sound absorption coefficient is determined by detecting the reduction of the amplitudes of the multiple reflections. In this way, the accuracy of the method can be improved.

Inventors:
REITMEIER TORSTEN (DE)
HEINRICH STEPHAN (DE)
Application Number:
PCT/EP2017/051275
Publication Date:
August 03, 2017
Filing Date:
January 23, 2017
Export Citation:
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Assignee:
CONTINENTAL AUTOMOTIVE GMBH (DE)
International Classes:
G01N29/032; G01N33/22
Foreign References:
US20040195531A12004-10-07
US4773267A1988-09-27
EP0118840A21984-09-19
EP0896671A11999-02-17
Other References:
None
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Claims:
Verfahren zum Ermitteln der Zusammensetzung eines Gasgemisches, bei dem mehrere voneinander unabhängige phy¬ sikalische Größen des Gasgemisches gemessen werden und aus den gemessenen Größen über Korrelationsrechnungen die Zusammensetzung des Gasgemisches ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich der Schallabsorptions¬ koeffizient des Gasgemisches bestimmt wird, indem das Gasgemisch mit Schallwellen zur Erzeugung von Mehrfachreflexionen beaufschlagt und durch Erfassung der Abnahme der Amplituden der Mehrfachreflexionen der

Schallabsorptionskoeffizient ermittelt wird, und dass der ermittelte Schallabsorptionskoeffizient als weitere Größe für die Korrelationsrechnungen benutzt wird.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als voneinander unabhängige physikalische Größen die Wärme¬ leitfähigkeit, die spezifische Wärmekapazität und die Schallgeschwindigkeit des Gasgemisches gemessen werden.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der C02~Gehalt eines CO2 enthaltenden Gasgemisches bestimmt wird.

Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der C02~Gehalt in Erdgas ermittelt wird.

Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Sensor oder mehrere Sensoren zur Messung von physikalischen Größen, einen akustischen Sensor und eine mit dem einen Sensor oder den mehreren Sensoren und dem akustischen Sensor in Verbindung stehende Steuerungs- emrichtung umfasst, die dazu ausgebildet ist, Signale von dem einen Sensor oder dem mehreren Sensoren zu empfangen und ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Ermitteln der Zusammensetzung des Gasgemisches durchzuführen .

Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor oder die Sensoren zur Messung von physikalischen Größen die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wär¬ mekapazität des Gasgemisches messen.

Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der akustische Sensor sowohl die Schallgeschwindigkeit durch LaufZeitmessung als auch die Gesamtschalldämpfung des Gasgemisches misst.

Computerprogrammprodukt aufweisend ein computerlesbares Medium und auf dem computerlesbaren Medium abgespeicherten Programmcode, der, wenn er auf einer Recheneinheit aus¬ geführt wird, die Recheneinheit anleitet, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auszuführen.

Computerprogramm zum Ermitteln der Zusammensetzung eines Gasgemisches, wobei das Computerprogramm ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 bei seiner Ausführung auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung durchzuführen .

Description:
Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln der Zusammensetzung eines Gasgemisches

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Zusammensetzung eines Gasgemisches, bei dem mehrere von ¬ einander unabhängige physikalische Größen des Gasgemisches gemessen werden und aus den gemessenen Größen über Korrela- tionsrechnungen die Zusammensetzung des Gasgemisches ermittelt wird .

Zum Ermitteln der Zusammensetzung eines Gasgemisches, beispielsweise zur Messung der Qualität von Erdgas, ist es ent- scheidend, möglichst selektiv die Hauptkomponenten des Gas ¬ gemisches quantitativ zu erfassen. Bei Erdgas geht es hierbei z. B. um die Komponenten Methan, Propan, Butan, Ethan, CO 2 und 2. Speziell die nichtbrennbaren Gase CO 2 und 2 spielen bei der Verbrennung hinsichtlich Klopffestigkeit eine wichtige Rolle. Da diese selektive Messung nur sehr schwierig und mit einem erheblichen Messaufwand möglich ist, werden häufig korrelative Techniken angewandt, mit denen aus einzelnen voneinander unabhängigen physikalischen Größen, wie Dichte, Schallgeschwindigkeit, Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität oder Viskosität, die Zusammensetzung des entsprechenden Gasgemisches ermittelt wird.

Andere Verfahren sind Infrarotverfahren mit einer teuren und wartungsintensiven Absorptionsmessung .

Die Erfindung geht von einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art aus. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren dieser Art zur Verfügung zu stellen, das sich durch eine besonders hohe Genauigkeit auszeichnet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der angegebenen Art dadurch gelöst, dass zusätzlich der

Schallabsorptionskoeffizient des Gasgemisches bestimmt wird, indem das Gasgemisch mit Schallwellen zur Erzeugung von

Mehrfachreflexionen beaufschlagt und durch Erfassung der Abnahme der Amplituden der Mehrfachreflexionen der Schallabsorptionskoeffizient ermittelt wird, und dass der ermittelte

Schallabsorptionskoeffizient als weitere Größe für die Kor ¬ relationsrechnungen benutzt wird.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, durch die Zurverfügungstellung einer weiteren physikalischen Größe des zu messenden Gasgemisches die Genauigkeit des Ergebnisses der durchgeführten Korrelationsrechnungen zu verbessern, um auf diese Weise die Zusammensetzung des entsprechenden Gasgemisches auf besonders genaue Weise ermitteln zu können. Dieser Weg wird über die Ermittlung des Schallabsorptionskoeffizienten des Gasgemisches gegangen. Es ist bekannt, dass die Absorption einer Schallwelle in Gasen durch den Absorptionskoeffizienten gemäß folgender Gleichung gekennzeichnet ist: A x = Ao · e ~ax (A x stellt die Amplitude der Schallwelle nach einem Zurücklegen des Wegs x dar, Ao stellt die Anfangsamplitude der in das Gas eingebrachten Schallwelle dar") . In einem Gasgemisch ergibt sich der Absorptionskoeffizient als eine Mischung aus den einzelnen Absorptionskoeffizienten der Gasbestandteile .

Erfindungsgemäß wird der Schallabsorptionskoeffizient für das gesamte Gasgemisch ermittelt, und dieser Wert wird für die entsprechenden Korrelationsrechnungen eingesetzt. Mithilfe sämtlicher gemessenen und ermittelten Größen kann dann durch geeignete Korrelationsrechnungen die Zusammensetzung des Gasgemisches bestimmt werden, d.h. es können selektiv die Anteile der einzelnen Komponenten ermittelt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der gemeinsame

Schallabsorptionskoeffizient des gesamten Gasgemisches er ¬ mittelt, d.h. es wird die Gesamtdämpfung des Gemisches bestimmt.

Vorzugsweise werden als voneinander unabhängige physikalische Größen die Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärmekapazität und die Schallgeschwindigkeit des Gasgemisches gemessen. Aus diesen drei physikalischen Größen wird in Verbindung mit der Bestimmung des Absorptionskoeffizienten des Gasgemisches (Gesamtdämpfung desselben) über eine geeignete Korrelationsrechnung die Gaszusammensetzung bestimmt.

Vorzugsweise findet das erfindungsgemäße Verfahren bei einem Gasgemisch Verwendung, das einen Gehalt an CO 2 aufweist.

Insbesondere wird dabei der C0 2 ~Gehalt in Erdgas ermittelt, da CO 2 bei der Verbrennung von Erdgas eine wichtige Rolle spielt. Es ist somit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem relativ geringen Messaufwand und relativ hoher Genauigkeit möglich, den C0 2 ~Gehalt in Erdgas zu bestimmen.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, die dadurch gekenn ¬ zeichnet ist, dass sie einen Sensor oder mehrere Sensoren zur Messung von physikalischen Größen, einen akustischen Sensor und eine mit dem einen Sensor oder mehreren Sensoren und dem akustischen Sensor in Verbindung stehende Steuerungseinrichtung umfasst, die dazu ausgebildet ist, Signale von dem einen Sensor und den mehreren Sensoren und dem akustischen Sensor zu empfangen und ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Ermitteln der Zusammensetzung eines Gasgemisches durchzuführen. Mithilfe des akustischen Sensors wird erfindungsgemäß der Schallabsorpti- onskoeffizient des entsprechenden Gasgemisches bestimmt, indem die erzeugten Mehrfachreflexionen ausgewertet werden. Der ferner verwendete Sensor oder die ferner verwendeten Sensoren dienen zur Ermittlung der voneinander unabhängigen physikalischen Größen, die die Basis für die durchgeführten Korrelationsrechnungen bilden .

Insbesondere finden dabei ein Sensor oder Sensoren Verwendung, die die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärmekapazität des Gasgemisches messen. Erfindungsgemäß werden daher bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich zwei Sensoren benötigt, nämlich ein thermischer Sensor und ein akustischer Sensor, mittels denen die entsprechenden Werte für die Korrelationsrechnungen zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise Schallgeschwindigkeit und Schallabsorptions ¬ koeffizient sowie die erwähnten anderen physikalischen Größen.

Ferner ist ein Computerprogrammprodukt aufweisend ein compu ¬ terlesbares Medium und auf dem computerlesbaren Medium abge- speicherten Programmcode vorgesehen, der, wenn er auf einer Recheneinheit bzw. Steuerungseinheit ausgeführt wird, die Recheneinheit bzw. Steuerungseinheit anleitet, ein erfin ¬ dungsgemäßes Verfahren zum Ermitteln der Zusammensetzung eines Gasgemisches auszuführen.

Außerdem ist Computerprogramm zum Ermitteln der Zusammensetzung eines Gasgemisches vorgesehen, das dazu ausgebildet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren bei seiner Ausführung auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung durchzuführen .

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei ¬ spieles beschrieben. Um die Qualität von Erdgas zu bestimmen, wurden die Haupt ¬ komponenten Methan, Propan, Butan, Ethan, CO 2 und 2 des ent ¬ sprechenden Gasgemisches quantitativ erfasst. Hierbei wurden mithilfe eines ersten Sensors die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärmekapazität des Gasgemisches ermittelt. Mithilfe eines zweiten Sensors wurde eine LaufZeitmessung durchgeführt, um die Schallgeschwindigkeit im Gasgemisch zu ermitteln.

Des Weiteren wurde mithilfe des vorgesehenen akustischen Sensors der Schallabsorptionskoeffizient des Gasgemisches bestimmt, indem das entsprechende Gasgemisch mit Schallwellen zur Erzeugung von Mehrfachreflexionen beaufschlagt wurde. Durch Erfassung der Abnahme der Amplituden der Mehrfachreflexionen wurde der Schallabsorptionskoeffizient, d.h. die Gesamtdämp- fung, des Gemisches ermittelt.

Die erhaltenen Werte, nämlich Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität, Schallgeschwindigkeit und Schallabsorptions ¬ koeffizient, wurden dann zur Durchführung von Korrelations- rechnungen verwendet, um die Zusammensetzung des Erdgases nach quantitativen Anteilen zu ermitteln. Dabei zeigte sich, dass durch Hinzufügung des ermittelten Schallabsorptionskoeffi ¬ zienten ein besonders genaues Ergebnis in Bezug auf die Zu ¬ sammensetzung erzielt werden konnte.